CN112117781B - 限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，针对风电机组在最大功率点跟踪运行方式恢复到响应电网有功功率调度指令运行方式的过程中，即风电机组的转速恢复阶段，风电功率剧烈波动从而导致出现严重危害电网运行安全的频率尖峰现象，提出了一种负指数功率‑时间运行曲线，通过限制风电机组在转速恢复阶段的功率变化率，实现从最大功率点跟踪运行方式恢复到响应电网有功功率调度指令运行方式的平滑切换。本发明能够通过合理地限制风电机组转速恢复阶段的功率变化率，有效降低电网出现频率尖峰现象的危害，同时充分考虑风电机组转速恢复的快速性要求，兼顾风电机组的发电效率，避免不必要的功率损失。

Description

限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法
技术领域
本发明属于风电机组有功功率控制领域，特别是一种限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法。
背景技术
随着经济和工业的不断发展，人类对煤炭、石油和天然气等传统化石能源的消耗不断加大。在化石能源供应日益紧缺和全球生态环境日益恶化的双重压力下，清洁能源的需求不断扩大。风能作为一种分布广泛、资源丰富的清洁能源，具有可持续发展的特点，符合人类社会的发展需求，受到越来越多的关注。随着风力发电技术趋向成熟，近年来大规模的风电并入传统电网提供电能，预计到2030年，风力发电将提供全球20％以上的电力供应量。
风电自身具有较强的波动性和随机性，会对电网的有功功率平衡造成严重影响。并且风电通过电力电子装置接入电网，对电网的惯性水平几乎没有贡献。因此随着风电的大规模并网，电网运行时的频率稳定性面临严峻考验。目前风电机组参与电网频率调节的方法主要分为两大类，即被动的频率反馈调节方法和主动的有功功率调节方法。被动的频率反馈调节方法主要根据电网的实时频率变化情况，利用风电机组转子动能或功率备用实现对电网频率的支撑，主要通过虚拟惯性控制和减载控制等方法实现。主动的有功功率调节方法是通过减小风电输出功率的波动幅值，降低功率波动对电网频率的影响，主要通过平滑功率等方式实现。
现有的风电机组参与电网频率调节技术大多关注于风电波动幅值的抑制，事实上，不仅较大的风电波动量会对电网频率造成扰动，风电的快速波动性也会对电网产生不利影响。这主要是由于风电功率的快速变化和电网中传统机组缓慢的功率调节特性不匹配造成的。例如，当风电机组工作于响应电网有功功率调度(AGC)指令的运行方式下，风速降低会使得风电机组改为以最大功率点跟踪(MPPT)方式运行，直到风速升高，风电机组又会恢复为响应电网AGC指令运行，在两种运行方式的切换过程中，风电机组输出的有功功率变化率过大，使得电网频率出现严重的尖峰现象，危害电网安全稳定运行。因此，有必要限制风电机组在运行方式切换过程中的功率变化率，从而降低风电快速波动对电网频率的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在尽可能减少风电机组功率损失的基础上，限制风电机组由MPPT运行方式向响应电网有功功率调度指令运行方式过渡的转速恢复阶段的功率变化率的方法，从而抑制在风电机组转速恢复阶段出现的电网频率尖峰问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，包括以下步骤：
步骤1，判断风电机组在当前控制周期是否可以继续响应电网的有功功率调度指令，若是，则执行步骤5；否则执行步骤2；
步骤2，风电机组以最大功率点跟踪方式运行，判断其有功功率变化率是否小于等于允许的最大功率变化率，若是，则执行步骤3；否则执行步骤4；
步骤3，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于MPPT控制器得出的功率参考值；
步骤4，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值与当前控制周期所允许的最大功率变化量之和；
步骤5，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于当前电网的有功功率调度指令。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明充分考虑电网中风电机组和同步发电机组出力的快慢动态差异，通过限制风电机组转速恢复阶段的功率变化率，有效抑制电网出现的频率尖峰问题，提高了电网的运行稳定性；2)本发明基于负指数功率-时间运行曲线的动态功率变化率限值兼顾了抑制电网的频率尖峰要求和保证风电机组转速恢复效果要求，风电机组在满足电网规定的功率变化率的基础上，不会过度限制功率使得发电效率降低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法流程图。
图2(a)～图2(b)为实施例中对本发明有效性验证的仿真结果示意图，其中图2(a)为采用本发明限功率方法和传统限功率方法下风电机组的有功功率变化曲线图；图2(b)为电网频率变化曲线图。
具体实施方式
结合图1，本发明提供一种限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，在尽可能减少风电机组功率损失的基础上，限制风电机组由MPPT运行方式向响应电网有功功率调度指令运行方式过渡的转速恢复阶段的功率变化率，从而抑制在风电机组转速恢复阶段出现的电网频率尖峰问题。该方法包括以下步骤：
步骤1，判断风电机组在当前控制周期是否可以继续响应电网的有功功率调度指令，若是，则执行步骤5；否则执行步骤2；
步骤2，风电机组以最大功率点跟踪(MPPT)方式运行，判断其有功功率变化率是否小于等于允许的最大功率变化率，若是，则执行步骤3；否则执行步骤4；
步骤3，风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000031
等于MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000032
步骤4，风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000033
等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG与当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax之和；
步骤5，风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000034
等于当前电网的有功功率调度指令
Figure BDA0002621702650000035
进一步地，步骤1所述判断风电机组在当前控制周期是否可以继续响应电网的有功功率调度指令，具体方式为：
比较当前控制周期风电机组MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000036
和电网的有功功率调度指令
Figure BDA0002621702650000037
的大小，如果
Figure BDA0002621702650000038
则风电机组在当前控制周期不可以继续响应电网的有功功率调度指令。
进一步地，步骤2所述判断风电机组的功率变化率是否小于等于允许的最大功率变化率，具体方式为：
风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率应该以如下式所示发明的负指数功率-时间运行曲线的变化速率为上界，
Figure BDA0002621702650000039
其中，P0为风电机组的有功功率初始值，α为负指数功率-时间运行曲线的特征参数。由上式可得风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率上界，即允许的最大功率变化率为：
Figure BDA00026217026500000310
将风电机组允许的最大功率变化率转换为单位时间Δt内有功功率的变化量，单位时间Δt取风电机组主控系统的控制周期，则当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax(k)如下所示：
Figure BDA0002621702650000041
其中，k表示当前控制周期的参考值或采样值，k-1表示上一控制周期的参考值或采样值。
同理，风电机组实际有功出力的变化速率可表示为当前控制周期MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000042
与上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG之差，即
Figure BDA0002621702650000043
在每一控制周期比较
Figure BDA0002621702650000044
和ΔPmax(k)的数值大小。
进一步地，步骤3所述风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000045
等于MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000046
具体方式如下所示：
Figure BDA0002621702650000047
进一步地，步骤4所述风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000048
等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG与当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax之和，具体方式如下所示：
Figure BDA0002621702650000049
进一步地，步骤5所述风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA00026217026500000410
等于当前电网的有功功率调度指令
Figure BDA00026217026500000411
具体方式如下所示：
Figure BDA00026217026500000412
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例
本实施例对本发明提出的限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法进行验证，具体内容如下：
风电机组采用NREL 600kW CART3模型，主要参数见表1。仿真风速设置为平均风速为8m/s，湍流等级为A级的湍流风速。电网模型采用低阶频率响应模型，调速器调差系数δ＝5％。电网的有功功率调度指令恒定且
Figure BDA0002621702650000051
系统控制周期设为40毫秒。
表1 NREL 600kW CART3风力发电机主要参数
Figure BDA0002621702650000052
步骤1、比较每一控制周期风电机组MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000053
和电网的有功功率调度指令
Figure BDA0002621702650000054
的大小，如果
Figure BDA0002621702650000055
则风电机组在当前控制周期不可以继续响应电网的有功功率调度指令，改为以MPPT方式运行。
步骤2、判断处于MPPT运行方式的风电机组，在每一控制周期内的功率变化量是否小于等于允许的最大功率变化量，具体方式为：
风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率应该以如下式所示发明的负指数功率-时间运行曲线的变化速率为上界：
Figure BDA0002621702650000056
其中，P0为风电机组的有功功率初始值，α为负指数功率-时间运行曲线的特征参数，且α＝0.135。由上式可得风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率上界，即允许的最大功率变化率为：
Figure BDA0002621702650000057
将风电机组允许的最大功率变化率转换为单位时间Δt内有功功率的变化量，单位时间Δt取风电机组主控系统的控制周期0.04秒，则当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax(k)如下所示：
ΔPmax(k)＝0.135×(0.17-PWTG(k-1))×0.04
其中，k表示当前控制周期的参考值或采样值，k-1表示上一控制周期的参考值或采样值。
同理，风电机组实际有功出力的变化速率可表示为当前控制周期MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000061
与上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG之差，即
Figure BDA0002621702650000062
在每一控制周期比较
Figure BDA0002621702650000063
和ΔPmax(k)的数值大小。
步骤3、若
Figure BDA0002621702650000064
则风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000065
等于MPPT控制器得出的功率参考值
Figure BDA0002621702650000066
如下式所示：
Figure BDA0002621702650000067
步骤4、若
Figure BDA0002621702650000068
则风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA0002621702650000069
等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG与当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax之和，如下式所示：
Figure BDA00026217026500000610
步骤5、在步骤1中，经判断如果
Figure BDA00026217026500000611
则风电机组在当前控制周期可以继续响应电网的有功功率调度指令，风电机组变流器的有功功率控制参考值
Figure BDA00026217026500000612
等于当前电网的有功功率调度指令
Figure BDA00026217026500000613
如下式所示：
Figure BDA00026217026500000614
为了量化评价本发明的应用效果，针对电网频率调节效果和风电机组转速恢复效果提出两种评价指标：
(1)电网最大频率偏差Δfmax。用于衡量本发明的限功率控制策略对电网频率的改进效果，计算方式如下所示，
Δfmax＝fmax-fN
其中fmax为仿真时长内电网频率的最大值，fN为电网的额定频率50Hz。
(2)风电机组的发电效率η。用于衡量本发明的限功率控制策略对风电机组在转速恢复阶段的功率损失水平，计算方式如下所示，
Figure BDA0002621702650000071
其中，t0为仿真起始时间，tf为仿真终止时间，PWTG为实际有功功率，Pa max为最大气动功率。
本实施例的结果如图2(a)、图2(b)所示。图2(a)为风电机组的实际有功功率曲线，可以看出传统的限功率方法在风电机组由MPPT运行方式切换为响应电网有功功率指令运行方式时的功率变化剧烈，甚至会产生功率突变现象。而应用本发明的限功率方法使得风电机组的输出功率更为平滑，没有功率突变现象。
图2(b)为电网的频率变化曲线，可以看出，在传统的限功率方法下由于风电机组的功率变化过于剧烈，电网频率出现明显的尖峰现象，严重危害电网的安全稳定运行。而应用本发明的限功率方法后，有效抑制了电网的频率尖峰问题。
本实施例具体的电网最大频率偏差和风电机组的发电效率如表2所示。由表中数据可知，本发明对最大频率偏差的抑制效果达到了54.73％，改善效果显著。同时，本发明的方法对风电机组效率的影响小于1％。因此，通过上述实施例，验证了本发明所提限功率方法的有效性和实用性。
表2电网最大频率偏差及风电机组发电效率对比
Figure BDA0002621702650000072
综上，本发明基于所提出的负指数功率-时间运行曲线，通过限制风电机组在转速恢复阶段的功率变化率，实现从最大功率点跟踪运行方式恢复到响应电网有功功率调度指令运行方式的平滑切换。本发明能够通过合理地限制风电机组转速恢复阶段的功率变化率，有效降低电网出现频率尖峰现象的危害，同时充分考虑风电机组转速恢复的快速性要求，兼顾风电机组的发电效率，避免不必要的功率损失。

Claims (4)

1.一种限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，判断风电机组在当前控制周期是否可以继续响应电网的有功功率调度指令，具体方式为：
比较当前控制周期风电机组MPPT控制器得出的功率参考值
Figure FDA0003747187090000011
和电网的有功功率调度指令
Figure FDA0003747187090000012
的大小，如果
Figure FDA0003747187090000013
则风电机组在当前控制周期不可以继续响应电网的有功功率调度指令；
若是，则执行步骤5；否则执行步骤2；
步骤2，风电机组以最大功率点跟踪方式运行，判断其有功功率变化率是否小于等于允许的最大功率变化率，具体方式为：
风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率以如下式所示的负指数功率-时间运行曲线的变化速率为上界：
Figure FDA0003747187090000014
式中，P0为风电机组的有功功率初始值，α为负指数功率-时间运行曲线的特征参数；
由上式可得风电机组在转速恢复阶段的有功出力的变化速率上界，即允许的最大功率变化率为：
Figure FDA0003747187090000015
将风电机组允许的最大功率变化率转换为单位时间Δt内有功功率的变化量，单位时间Δt取风电机组主控系统的控制周期，则当前控制周期所允许的最大功率变化量ΔPmax(k)如下所示：
Figure FDA0003747187090000016
式中，k表示当前控制周期的参考值或采样值，k-1表示上一控制周期的参考值或采样值；
同理，风电机组实际有功出力的变化速率表示为当前控制周期MPPT控制器得出的功率参考值
Figure FDA0003747187090000017
与上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值PWTG之差，即
Figure FDA0003747187090000018
在每一控制周期比较
Figure FDA0003747187090000019
和ΔPmax(k)的数值大小；
若是，则执行步骤3；否则执行步骤4；
步骤3，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于MPPT控制器得出的功率参考值；
步骤4，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值与当前控制周期所允许的最大功率变化量之和；
步骤5，风电机组变流器的有功功率控制参考值等于当前电网的有功功率调度指令。
2.根据权利要求1所述的限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，其特征在于，步骤3所述风电机组变流器的有功功率控制参考值等于MPPT控制器得出的功率参考值，具体方式如下所示：
Figure FDA0003747187090000021
式中，
Figure FDA0003747187090000022
为风电机组变流器的有功功率控制参考值，
Figure FDA0003747187090000023
为MPPT控制器得出的功率参考值。
3.根据权利要求1所述的限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，其特征在于，步骤4所述风电机组变流器的有功功率控制参考值等于上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值与当前控制周期所允许的最大功率变化量之和，具体方式如下所示：
Figure FDA0003747187090000024
式中，
Figure FDA0003747187090000025
为风电机组变流器的有功功率控制参考值，PWTG(k-1)为上一控制周期风电机组实际发出的有功功率值，ΔPmax(k)为当前控制周期所允许的最大功率变化量。
4.根据权利要求1所述的限制转速恢复阶段功率变化率的风电机组限功率控制方法，其特征在于，步骤5所述风电机组变流器的有功功率控制参考值等于当前电网的有功功率调度指令，具体方式如下所示：
Figure FDA0003747187090000026
式中，
Figure FDA0003747187090000027
为风电机组变流器的有功功率控制参考值，
Figure FDA0003747187090000028
为当前电网的有功功率调度指令。
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